1、中北大学 2015 届毕业设计说明书 绝缘子巡检机器人的结构设计 摘要 由于人工检测实效绝缘子工作效率低，劳动强度大，花费成本较高，检测质量不稳定问题，世界各国正致力于开发一种绝缘子串带电检测机器人，由于绝缘子大多安装在交通不便的偏远山区，因此机器人的小型化和智能化成为设计的追求。这篇文章详细介绍了绝缘子串的系统架构，功能原理和现场应用情况，同时介绍了机器人的详细设计步骤，主要包括总体架构的设计，运动装置的选型，清扫装置的选型和检测装置的选型等等，中间涉及到了相关的强度校核和电机的选型，以及利用Solidworks 进行总体的建模和运用 Ansys 主要部件的有限元分析。 关键词 ：检测机器人
2、 ,绝缘子检测 ,有限元分析 中北大学 2015 届毕业设计说明书 structure design of the insulator robot Abstract Due to the artificial low detection efficiency,The labor intensity an, high cost and unstable result.All countries are developing a insulator robot.Besides,insulators always are developed in countrisides where the tra
3、ffic is inconvenience. This article introduces in detail the overall structure of the insulator robot,working methods and application situation.At the same time ,the article introduces the detailed design procedure of the robot,which introduces the detailed design of the robot mainly includes the ge
4、neral structure,the design of inspection device, the design of the movement device and cleaning device.At the end of this article ,I will use solidworks software to model, and then will do the finite element analysis using ansys software. Keywords: inspection robot, insulator, finite element analysi
5、s 中北大学 2015 届毕业设计说明书 I 目录 1 绪论 . 1 1.1 研究的背景与意义 . 1 1.2 绝缘子机器人的发展状况 . 3 1.2.1 传统的检测绝缘子的方法 . 3 1.2.2 国内外绝缘子机器人的发展现 状 . 3 1.3 本课题研究的主要内容 . 5 2 绝缘子机器人的总体设计 . 6 2.1 引言 . 6 2.2 机器人的设计的 任务 . 6 2.3 机器人设计的整体方案 . 6 2.4 机器人的结构设计 . 6 3 爬行装置的结构设计及电机的选择 . 8 3.1 整体选型 . 8 3.2 相关尺寸 . 9 3.3 手爪部分的结构选型 . 9 3.4 爬行原理 .
6、10 3.5 丝杆的结构选型 以及强度校核 . 11 3.5.1 丝杠的选择 . 11 3.5.2 丝杠强度的校核 . 12 3.6 驱动部分电机的选择 . 13 3.6.1 控制机身运动电机的选择 . 13 3.6.2 舵机的选择 . 14 3.7 锥齿轮的选择及强度校核 . 15 3.8 导向条的结构设计 . 19 3.8.1 导向条的结构选型 . 19 3.8.2 导向条推出电机的选型 . 20 4 清扫部分的结构设计 . 21 中北大学 2015 届毕业设计说明书 II 4.1 清扫手爪的工作原理及运动学分析 . 21 4.1.1 工作原理 . 21 4.1.2 机构原理 . 21 4
7、.1.3 各铰点的位置分析 . 22 4.1.4 铰点 JHF 、 的位置偏差 . 22 4.2 清扫手爪工作能力分析 . 23 4.2.1 最小环抱半径 . 23 4.2.2 最大环抱半径 . 24 4.2.3 张开条件 . 25 4.3 清扫手爪机构优化设计 . 26 4.3.1 设计变量 . 26 4.3.2 目标函数的确立 . 26 4.3.3 约束条件 . 27 4.3.4 优化结果 . 28 4.1 优化结果 . 28 4.4 清扫结构的三维建模 . 29 5 检测装置的说明 . 30 5.1 检测装置的选型 . 30 5.2 检测装置的工作原理 . 30 5.2.1 检测原理 .
8、 30 5.2.2 运动原理 . 31 6 机器人主体结构的有限元分析 . 32 6.1 上下翼框的静力学分析 . 32 6.2 手爪的形变以及静力学分析 . 33 6.3 丝杆的有限元学分析 . 34 6.3.1 丝杠的静力学分析 . 34 6.3.2 丝杠的模态分析 . 36 结 论 . 37 中北大学 2015 届毕业设计说明书 III 致 谢 . 38 参考文献 . 39 中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 1 页 共 41 页 1 绪论 1.1 研究的背景与意义 随着国民经济的快速发展，对电力的需求及依赖越来越大，而电网的分布范围也越来越广。如果电力的传输中经常停电检修或出现中
9、断事故，将给经济、生活等各个方面造成非常大的麻烦和损失。这就要求输电线路和变电站的外绝缘均能可靠运行。 架空输电线路上采用的绝缘子作为导线与杆塔间的支撑连接部件，在保证电力系统正常生产 、 安全运行，可靠性供电方面占有极其重要的地位 。 绝缘子的可靠性和质量直接影响输电线路的运行的安全 。 绝缘子的劣化不仅造成其电气性能的丧失，也将引起其机械性能的下降 。 绝缘子串中如有一定数量 2 的劣化绝缘子存在，当由污秽 、 雷击或其它原因引起闪络时，大电流将流过劣化绝缘子头部，导致绝缘子掉串 1 。 由于绝缘子断裂事故一旦发生，会使高压母线中间一断距离失去支撑， 而且重新更换绝缘子比较复杂，往往造成大
10、面积、长时间停电。同时，随着电网容量的增大，大型电厂、变电所和高电压大容量交、直流输电线路日益增多，由断裂事故造成的损失也越来越大。显然，随着经济和生产的迅速发展，环境污染不断加剧，气候变化幅度增大，相应地绝缘子断裂的隐患会有所加剧，一旦发生事故造成的损失也会更加巨大。同时，断裂事故往往波及多条线路和多个变电站，造成大面积停电。因此，绝缘子断裂事故已成为电网安全运行的严重威胁。 近年来，由于环境恶化，气候变化幅度增大，支柱瓷绝缘子断裂造成大面积停电事故在全国范围内时有发 生。据有关报道，我国辽宁、湖北等地变电站曾因支柱绝缘子断裂引发母线短路造成重大事故。就山东省的情况而言，据不完全统计，山东电
11、网自 1999年来共发生 220kV瓷支柱绝缘子折断 7起，三次全站停电。对电网的安全生产特别是人身安全构成极大威胁。 2002年 4月 12日，莱芜电厂 220kV母线、泉莱线、莱山线春季停电清扫、预试，当拉开 #3923-3刀闸（ GW4/220），刀闸头相距 80cm时，开关侧 B相支柱瓷绝缘子下中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 2 页 共 41 页 节法兰根部断裂，上节掉落，相邻的 TA接线板在引线作用下断开，幸好当时为停电检修状态，未造成人员伤害。 2003年 6月 2日，济南平阴站将 220kV母线负荷由 I母线运行，当合上平许线 201-1刀闸时， 220kV#1母线 C
12、相 2个支柱断裂，硬管母线降落中，导致三相短路，造成 201-1刀闸三相瓷柱断裂，母联兼旁 202-1C相刀闸头被砸坏。在 201-1刀闸倒塌过程中，将 I母线 A相 3个支柱拉断，母线落在架构上。事故发生时， 3条 220kV 线路从对侧跳闸，平阴站全站失电，当时主变带负荷 50MW，造成长时间大面积停电，停电损失相当大。 2004年 3月 13日，临沂温水站将 220kV#1母线负荷并列倒至 #2母线运行，拉开 201-1刀闸，当导电摺架下落至中间位置时， 201-1刀闸 B相支持支柱绝缘子断裂，造成 220kV#2母线 A、 B相相间短路，并将 A相支柱瓷瓶拉断，全站失压进而使温云线单电
13、源供电的 220kV云蒙站全站停电。断裂支柱绝缘子为 1995年普通强度瓷产品，折断部位在下节支柱的上法兰根部 3 。 为了保证输电线路用绝缘子的运行安全，需定期地进行劣化绝缘子检测，从而确定绝缘子是否更换 。 目前绝缘子检测主要采用人工检测方式， 常用的带电清扫设备有便携 式软轴连接高压带电清扫杆和叉车配套型高压带电自动清扫机等 。 前者需人工把持清扫杆操作 ,劳动强度大 ,适用电压等级低 ， 清扫高度低 ； 后者要靠叉车的移动来调整清扫方向和距离 , 操作不方便 , 自动化相对较低 。 可见 人工检测方式和技术与电力生产的安全性要求相比仍有相当的距离 。 采用绝缘子串检测机器人进行巡检作业
14、，不仅可以减少因人员疏忽 、 漏检等带来的损失，提高电网的运行质量，而且可以减少供电系统的人员投入，降低人员成本 。 绝缘子串检测机器人的应用范围主要是停电或带电的架空输电线路的绝缘子，尤其是超高压 、 特高压线路上，可有效替代 人工完成绝缘子的检测工作 64 。因为在恶劣环境中人工检测工作十分艰辛，并且很难保证工作质量，只有采用先进的检测方式和工具，才可以适当地减短巡检周期，及时发现存在的缺陷，更有效地消除事故隐患，确保电力系统的安全稳定运行 。 中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 3 页 共 41 页 1.2 绝缘子机器人的发展状况 1.2.1 传统的检测绝缘子的方法 近年来，国内外
15、一直在寻找有效合成绝缘子的在线检测方法，至今有以紫外观察、超声波成像、超声波检测、红外测温法为代表的非电量检测和以电场测 量，泄露电流及脉冲电流法为代表的电量检测的两大类型 7 。其中，非电量检测法以观察法为常用方法，这种方法基于地面工作人员通过望远镜观察绝缘子表面的状况，具有不准确性和局限性；紫外成像法用于检测绝缘子表面有无放电的现象；超声波检测方法操作简单，安全可靠，抗干扰能力强，主要用于检测绝缘子检测的裂纹，但是其存在耦合，衰减，超声波换能器性能的问题。电场测量法可以将检测装置简化为夹在绝缘子两极的金属材料，绝缘子的伞裙对电场分布无影响，这种检 测方法是目前是最准确的检测方法，通过找出轴
16、向绝缘子串的电场分布从而找出劣化的绝缘子串。 1.2.2 国内外绝缘子机器人的发展现状 国外巡检机器人的研究始于 20 世纪 80 年代末，美国、韩国、日本、加拿大、泰国的一些研究机构先后开展了巡检机器人的研究，其中以美国和韩国为首的绝缘子检测机器人设计较为突出。他们设计的共同点在于将绝缘子检测机器人分成了四部分：提供动力的驱动装置、清扫绝缘子的清扫装置、检测绝缘子状况的检测装置和地面控制装置。 对于韩国获得专利的绝缘子机器人设计具有结构简单，重量轻，功耗小 等特点，整体结构如图 1.1 所示。他们设计的突出点在于攀爬方式采用的是成 90 的两根支架，可以在下降的时候通过重力的作用实现自动下降
17、的功能 8 。但这也是该项设计的致命点，这样的攀爬结构在竖直绝缘子串的情况下是很方便的，但是当遇到 V 串或者耐张串的时候就显得无能为力了，同时，由于绝缘子串的边缘是比较脆的陶瓷材质，坚硬的支架在触碰绝缘子的表面的时候容易形成 刮痕，严重的情况下甚至导致绝缘子串的损坏。此外，他们在结构设计上选择将攀爬装置、清扫装置和检测装置安装在同一翼框之上，这样的设计虽然简单明了，但容易使得各个功能部件之间形成相互干扰。 中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 4 页 共 41 页 美国所设计的绝缘子串检测机器人在结构上与韩国所设计的相似，都是由四部分组成如图 1.2 所示。区别在于美国的设计选择了封闭式
18、的结构，在整体上采用上下两个翼框，清扫部分和检测部分安装在翼框之间。驱动部分分为上下两组，分别安装在翼框之上。这种检测机器人一次跨越三个绝缘子，压降太大，不符合国家电网的要求。 图 1.1 韩国研究的绝缘子机器人 图 1.2 美国研究的绝缘子机器人 2001 年， S.Peungsungwal 等人设计了一台能够自给电的巡检机器人，采用电流互感原理，该样机可从电力线路上直接获取电源，这一技术有效的解决了巡检机器人动力能源的问题，此外，还初步实现了利用图像判断线路上障碍物的视觉导航技术，但该机器人同样具有越障能力较弱的缺点，只能在两塔之间的线路上工作，应用范围也有限。 相比于国外，国内对巡检机器
19、人的研究起步相对较晚，开展相关研究的机构也不多，主要集中在中国科 学院自动化研究所、山东大学、武汉大学等高校和科研院所。中国科学院自动化研究所、山东大学所研制的机器人采用了三臂结构，能在线路上行进，并可自主翻越线路上防振锤等障碍物，但机器人机构重，耗能多，作业控制复杂。武汉大学设计的机器人采用了双臂结构，可利用臂上的滚轮在线路上移动，并具有一定的越障作业的能力，但爬坡能力有限。 由山东鲁能智能技术有限公司和国网湖北省电力公司检修公司所设计的一种带电的绝缘子串检测机器人与韩国所设计的版本具有相似的结构，设计结构简单，重量轻，但不具备实用性 10 。 中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 5
20、页 共 41 页 由深圳市北粤科技开发有限公司发明的关于绝缘子检测机器人的结构方面来看，他们的设计特点在于将手爪部分设计成为了钩状，通过钩子勾住绝缘子之间的金属部分使得机身固定。这种结构设计简单，体积小，重量轻，但是不利于在水平串和 V串上行走。 由上海交通大学研究的绝缘子机器人能够实现在绝缘子的检测清扫工作，如图1.3 所示。但是这种设计最大缺点在于体积过大 ,对于安装在偏僻，交通不方便地方的绝缘子检测带来了很大的难度。 图 1.3 上海交大研究的绝缘子检测装置 综上所述，目前国内外研究的输电线巡检机器人仍然存在一些问题，最主要的有：机器人机械结构重、能耗大、电源续航能力欠缺、爬坡与越障能力不足、机器人与地面 监控端和后台分析端的通讯范围有限。 1.3 本课题研究的主要内容 基于传统的检测方式和现有的各种绝缘子机器人设计方案的优缺点，本次设计的主要任务是基于传统绝缘子机器人检测的优点的基础之上，过滤掉它们设计不合理的地方，无论是在重量上，还是在操作的可靠性和适用性的基础上都达到一个新的高度，从而加大对绝缘子检测的准确性，保证高压电网输电的安全。
